软土地层轨道结构设计优化及建议

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摘 要：地铁隧道穿越软土地层容易导致隧道产生较大的工后沉降，不仅影响轨道结构整体稳定性，同时带来许多病害，影响轨道结构的使用寿命。本文分析了隧道沉降产生的原因、隧道病害的种类和危害，从道床强度、排水、扣件调高及防止道床剥离等方面对轨道结构进行优化设计，提出可行性方案，从而减少软土地层带来的隧道病害对轨道结构的不利影响，保证线路运营的平顺性、安全性。

关键词：软土地层；隧道沉降；轨道病害；优化设计

1 概述

近几年，地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，在各大城市的交通运输中所占比重越来越大。盾构作为地铁建设的主要施工方法之一，经常穿越软土地层，土层含水量高、强度低，同时软土还有低渗透性、触变性和流变性等不良特点，对隧道结构的稳定性极为不利。线路运营后，在列车不断的振动作用影响下，软土地层的强度也不断降低，长时间作用下将发生固结沉降，引起隧道结构的沉降变形，而上部的轨道结构也随之变形，从而加剧了轨道不平顺，直接影响道床的使用寿命，同时影响行车安全性及舒适性等。此外，由于隧道建设破坏了原有地下水流规律，软土地层中的部分地下水流入隧道内，腐蚀轨道结构，影响轨道部件的使用性能。有效处理软土地层对轨道结构的影响，保障地铁安全有效的运营，是目前迫切需要解决的一道难题。

2 隧道病害影响分析

软土地层隧道的主要病害有隧道壁渗漏水、结构裂缝及隧道不均匀沉降变形等，从而导致道床与隧道管片剥离以及道床裂缝。除此之外，结构渗漏水还会通过裂缝腐蚀道床结构内的钢筋，破坏道床结构的耐久性，影响线路的稳定性、平顺性等，直接影响行车安全。隧道内的主要病害有以下几点：

2.1结构渗漏水

主要发生在结构缝、管片缝隙及道床与隧道壁接缝处等。结构渗漏水夹带着泥沙等流入隧道，进入道床范围，阻塞排水沟，导致排水不畅或道床、转辙机坑积水等。（图1，2）

2.2 结构裂缝

在隧道管片的制作、运输及拼装过程中，由于其生产工艺、运输存储、施工操作的影响，管片难免存在局部碎裂缺角、拼装不到位等缺陷。这些缺陷会造成隧道结构开裂，加剧地下水的渗漏，从而加剧轨道结构病害的产生。

2.3 隧道不均匀沉降变形

隧道不均匀沉降会使隧道结构产生弯曲变形，导致盾构管片缝张开、地下水渗漏加剧，造成整体道床和隧道管片的剥离及开裂，破坏轨道结构。尤其是在隧道差异沉降较大及小半径曲线地段，更容易出现整体道床与管片剥离的现象，影响整体道床的耐久性和稳定性。

3 轨道结构优化设计

软土地层隧道病害产生机理及原因错综复杂，为了减少隧道病害对轨道结构的影响，保证列车运行的平稳性和安全性，需要对轨道结构进行优化设计。主要可以从以下几个方面进行。

3.1 采用高强度整体道床

轨道结构应采用整体性更强、刚度更大的长枕式整体道床，有利于减轻隧道仰拱的变形；同时采用较高等级的混凝土和道床钢筋，增强整体道床的强度、耐久性等。

3.2 采用大调高量的扣件

轨道结构设计时优先采用大调高量的扣件，隧道发生沉降后，可通过更换垫板、增加调高垫板等措施，在一定程度上抵销道床沉降对轨道平顺性产生的影响。

3.3 道床排水沟优化设计

目前地下线整体道床设计通常的做法是设置双侧水沟，有利于截排隧道边墙渗漏水、道床冲洗水及消防废水等；在满足整体道床强度要求的前提下，可增大道床排水沟的截面积，同时采用半圆形水沟代替矩形水沟，方便养护及清淤；适当增加小半径曲线地段道床内侧排水沟的尺寸，有利于曲线地段的道床排水。

3.4 道床预埋注浆管

利用管片和道床上预留的注浆孔，通过注浆管向隧道管片外壁喷注水泥砂浆，加固隧道下部土体，可有效解决隧道差异沉降引发的道床结构沉降；也可通过在道床上预埋注浆管往道床与管片间喷注混凝土，解决道床与隧道管片剥离的问题。

图3 道床预埋注浆管

3.5 岔区预留集水井

地下线道岔区转辙机坑附近结构渗水等通常流入机坑后很难自然排出，长时间的积水将影响转辙设备的正常使用。为避免岔区积水对设备产生影响，可在原有的道床排水系统上进行优化设计，使道床水沟与转辙机沟槽隔离，并在道岔转辙机坑附近预留集水井，通过排水沟连通转辙机坑，使机坑内积水排入集水井中。同时在集水井内设置小型潜水泵，将水排入道床水沟。

图4 岔区预留集水井

4 合理化建议

目前国内多个城市的地铁运营已经对隧道渗漏水、差异沉降等病害有了一定的治理经验，在此基础上，可采取以下措施进一步控制软土地层隧道沉降对轨道结构的影响，及时进行养护维护，消除隐患。

4.1 引入CPⅢ测量技术，定期对轨道结构进行观测

通过加强对隧道及轨道结构的观测，建立动态数据库，及时发现问题，控制轨道几何形位，可大幅提高轨道结构的平顺性，减小软土地层隧道沉降的不利影响。因此，在地铁运营过程中对轨道结构进行长期监测，进行定期的排查，可做到尽早发现尽早治理，防患于未然。

4.2 开展多专业设计研究

结合国内地铁运营管理经验，建立轨道结构变形和全线施工信息资料的数据库，对隧道及轨道结构病害建立详细的档案，进行归类统计，方便设计人员针对性地制定优化设计方案，解决问题。这不仅能减轻运营养护维修工作量，也能为后续设计提供有价值的参考。

参考文献：

[1]TB100822-2005 铁路轨道设计规范[S].北京：中国铁道出版，2005.

[2]北京城建设计研究总院.GB 50157―2013 地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]高亮.轨道工程[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[4]雷晓燕.轨道力学与工程新方法[M].北京：中国铁道出版社，2002.